三级蒸发冷却空调系统空气处理过程的分析

裴秀英，王玉刚，马益民

(集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

暖通空调系统能耗约占建筑总能耗的50%左右[1]，其中空调系统能耗较大的主要原因在于机械制冷压缩设备的大量使用，这种制冷设备的能效比较低，导致其消耗的一次能源和碳排放量较大，并且CFCs和HCFCs等制冷剂的使用加剧了全球温室效应[2]。

蒸发冷却空调系统采用水作为冷媒，利用水的自然蒸发吸热使空气降温，通过合理的设计，可以将降温后的空气作为送风送到空调区域以降低室温，因此，这种蒸发冷却空调能耗较低。另外，由于设备中不使用制冷压缩机，主要使用风机和水泵作为动力设备，系统的能效比(COP值)很高。据资料统计，机械制冷系统的单位面积耗电量约为50 W/m2，而蒸发型冷却空调系统的单位面积耗电量约为10 W/m2，节能80%左右，是一种环境友好型的空调方式[3-4]。蒸发冷却型的空调冷却器，综合间接蒸发和直接蒸发的工艺特点，目前多为两级蒸发冷却空调系统和三级蒸发冷却空调系统。其中三级蒸发冷却空调系统是由两级间接蒸发冷却器和一级直接蒸发冷却器串接构成。目前，三级蒸发冷却空调系统在我国西北地区的工业建筑和民用建筑中已经得到了广泛地应用，并取得了良好的节能效果；在我国其他地区的工业建筑和半开敞空间中也得到了越来越多的应用。

在应用中，间接蒸发冷却器在理想状态下可将环境空气的干球温度冷却至其湿球温度，但由于其实际冷却效率较低(50%～60%)[3-5]，为了满足送风要求只能增大其体积，因此导致三级蒸发冷却空调机组整体体积较大，限制了蒸发冷却技术的推广应用。

1系统工作原理

目前，三级蒸发冷却空调系统流程如图1所示[6]。

第一、二级多为板式间接蒸发冷却器(图中的IEC1和IEC2部分)，其中IEC1为预冷段，IEC2为再冷段。第三级为空气与水直接接触式蒸发冷却器(图中的DEC部分)，对空气进行等焓加湿。系统中一、二次空气均采用室外环境空气。

图2为三级蒸发冷却系统空气处理过程的焓湿图。首先，一次空气在第一级间接冷却器中被冷却，该冷却过程控制为等湿降温，表现为图2中的1→2处理过程；降温后的一次空气再进入第二级间接蒸发冷却器的空气侧干通道，表现为图2中的2→3处理过程，在这个处理过程中，一次空气的含湿量仍然维持不变，但是其温度进一步被降低，这一级温度降低幅度小于第一级的温度降低幅度。最后，一次空气进入直接蒸发式冷却器，被喷淋水等焓加湿，温度再一次降低(3→4)，然后4状态点的一次空气被送入室内，用于空气调节；而第一级和第二级间冷蒸发冷却器的二次空气分别与水进行蒸发冷却作用后排出，见图中的5→6和7→8。

2 热力学分析

三级蒸发冷却空调系统的一、二级冷却器的二次空气从系统流出后，都没有再回流入系统，而是直接排到室外大气环境中，是典型的开式直流系统，而一次空气也是排入空调环境中没有循环使用，这样，一、二次空气具备的可用能都无端被损失了，系统产生了不可逆的能量损失。为了能详细地确定其损失的程度，利用热力学的原理，对一、二次空气在每一级热交换器中的热质交换过程进行分析。

2.1 分析模型

在某特定的环境中，物质所拥有的能量能最大程度地转换为有用功的那部分能量被定义为[7]。对于三级蒸发冷却空调系统，其一、二次空气源都为环境空气，而环境空气是由干空气和水蒸气组成的湿空气。

对于温度为T、压力为p、含湿量为d的湿空气，其比的理论计算公式为

ea=eph+ech。

(1)

式中：ea为比；eph为比物理；ech为比化学。

eph=i-i0-T0(s-s0)。

(2)

式中：i为湿空气的比焓，kJ/kg；s为湿空气的比熵，kJ/(kg·K)；T为湿空气的热力学温度，K。

式(2)中的下角标“0”，是为了方便计算而定义的一个状态，代表分析的参考状态。本文选取大气环境的状态作为分析的参考状态[7]。在大气环境状态下，湿空气的热力学性质与理想气体的热力学性质非常接近，为简化计算，将湿空气视为理想气体。

i=cp,data+(2 500+cp,vta)d。

(3)

式中：cp,da为干空气的定压比热，kJ/(kg·K)；cp,v为水蒸气的定压比热，kJ/(kg·K)；ta为干空气的温度，K；d为含湿量，g/kg。

s=cpln(T/T0)-Rln(p/p0)。

(4)

式中：cp,v为湿空气的定压比热，kJ/(kg·K)；p为湿空气的压强，Pa；p0为参考计算状态湿空气的压强，Pa。

将式(3)和式(4)代入式(2)，并整理得到

eph=(cp,da+dcp,v)[T-T0-T0ln(T/T0)]+(Rda+dRv)T0ln(p/p0)。

(5)

式中：Rda为干空气的气体常数；Rv为水蒸气的气体常数。

ech=T0{(Rda+dRv)ln{(Rda+d0Rv)/(Rda+dRv)}+dRvln(d/d0)}。

(6)

ea= (cp,da+dcp,v)[T-T0-T0ln(T/T0)]+(Rda+dRv)T0ln(p/p0)+

T0{(Rda+dRv)ln[(Rda+d0Rv)/(Rda+dRv)]+dRvln((d/d0)}。

(7)

在三级蒸发冷却空调系统中，进入间接蒸发器冷却器的二次空气的温度由水来控制，水通过喷淋的形式与空气直接接触，让二次空气温度降低，这样，在冷却一、二次空气的过程中会发生喷淋水的损耗。

ew=iw(T)-iv(T0)-T0[sw(T)-sv(T0)]+[P-Psat(T)]vw(T)-RvT0ln(φ0)[8]。

(8)

式中：iw为水的比焓，kJ/kg；iv为水蒸气的比焓，kJ/kg；sw为水的熵，kJ/(kg·K)；sv为水蒸气的比熵，kJ/(kg·K)；psat为饱和湿空气的压强，Pa；φ0为参考计算状态的相对湿度。

由此可见，三级蒸发冷却空调系统在空气的处理过程中，由于湿空气被降温，水有损耗，最终使得整个系统的入口总是大于出口，其差值就是系统产生的损失。而决定空气处理过程效果的因素有很多，比如蒸发冷却器的结构形式，系统运行时空气的状态参数等。作为理论分析，本文以系统平衡为前提建立计算模型，分析三级蒸发冷却空调系统中空气处理过程的热力特性。

由Ein-Eout-Ed=0可得

(9)

式中：Eout为有效输出，kW；Ein为总输入，kW；Ed为损失，kW；ma为空气的质量流量，下标中数字代表各个状态点标识，kg/s；ea为空气的比，下标中数字代表各个状态点标识，为一级间接蒸发冷却器的水的质量流量，为一级间接蒸发冷却器的熵产，kW/K。

(10)

(11)

2.2 评价指标

在三级蒸发冷却空调系统中，系统的总换热效率不是每一级换热效率的叠加。本文采用效率概念作为评价指标，对三级蒸发冷却空调系统的热力过程进行评价。

ηE=Eout/Ein=(Ein-Ed)/Ein=1-(Ed/Ein)。

(12)

式中：ηE为效率；Ed为系统的损失。

将其分解在各级蒸发冷却器之中，如式(13)所示。

(13)

(14)

3 计算结果分析

设定三级蒸发冷却空调系统空气处理过程的工况：环境空气干球温度为30℃，相对湿度为35%，间接蒸发冷却器中，一、二次空气的风量比均取1∶1，第一级间接蒸发冷却器湿球效率取70%[9]，第二级间接蒸发冷却器湿球效率取45%[10]，直接蒸发冷却器湿球效率取90%[9]。利用公式(7)的热力学分析模型，对三级蒸发冷却空调系统的空气处理过程进行热力学分析计算，得出图2所示的各个状态点的热力参数，如表1所示。

表1 三级蒸发冷却空调系统空气处理过程中各状态点的热力参数

由表1计算结果分析可知，间接蒸发冷却器中，一次空气经过第一级间接蒸发冷却器冷却(热力过程为1→2)，再经过第二级蒸发冷却器冷却(热力过程为2→3)后，其比是增加的，而在直接蒸发冷却器等焓加湿(热力过程为3→4)后，其比略有减少。而经过两级间接蒸发冷却器的二次空气(热力过程为5→6、7→8)，其比都是减少的，减少的比是由于一次空气与二次空气之间热容量的不平衡造成的，为不可逆传热损失，定义为内部损失。状态点6和状态点8是两个间接蒸发冷却器二次空气的出口状态，这两部分空气直接排到室外，其损失的能量定义为排风损失。这两部分损失是构成间接蒸发冷却器损失的主要组成。系统中各级蒸发冷却器的损失的计算结果如表2所示。

表2 各级蒸发冷却器的损失Tab.2 Exergy loss of each stageevaporative cooler蒸发冷却器Evaporative cooler损失Exergy loss/(kJ·kg-1)IEC11.361IEC21.023DEC0.268表3 三级蒸发冷却空调系统的分析计算结果Tab.3 Calculated results by exergy analysis of threestage evaporative cooling air-conditioning system计算参数Parameters calculatedEout/(kJ·kg-1)Ein/(kJ·kg-1)ηE/%计算结果Results calculated1.245.1124.27

4 结论

2)典型工况下的三级蒸发冷却空调系统中，第三级直接蒸发冷却器的损失只有5.09%，一、二级间接蒸发冷却器的损失分别占总输入的36.98%和33.66%，系统的性能影响较大。根据这部分损失产生的基理，提升间接蒸发冷却器中热质交换的完善程度，优化间接蒸发冷却器的结构参数(外形及外形尺寸、换热器中空气通道的形式等)，匹配系统运行的参数(一、二次空气的风量、风速，喷淋水的水量、喷水模式)等，是提高蒸发冷却空调系统能效的主要途径。